JP2010261459A - Failure detection and protection of multi-stage compressor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、圧縮機の故障検出及び保護に関する。 The present invention relates to compressor fault detection and protection.
圧縮機は、多様な産業及びシステムにおいて、空気などの気体を圧縮するために使用される。例えば、ガスタービンエンジンは一般に、燃焼及び冷却のために、圧縮された空気を供給する圧縮機を含む。自明であろうが、圧縮機の正常性は、機械の性能、効率、ダウンタイム及び全体的な可用性に影響を及ぼす。圧縮機の部品(例えば、ブレード、シール等)が摩耗又は破損した場合、圧縮機は、目的のシステム(例えば、ガスタービンエンジン)に対して気体(例えば、空気)の十分な圧縮を行えないことがある。さらに、圧縮機の部品の破損は、目的のシステム(例えば、ガスタービンエンジン)に損傷を引き起こすことがあり、それによりダウンタイムが発生し、補修費用が増加する。これは、ガスタービンエンジンの連続的な運転を利用する発電所では、特に問題となる。その結果、圧縮機及び下流のガスタービンエンジン部品を損傷から保護するために、早い段階で故障を識別することが望ましい。残念なことに、既存のシステムは、圧縮機の故障を早期に検出するのに特に適しているわけではない。このことは、発電所のガスタービンエンジンで使用されるような多段圧縮機に特に当てはまる。例えば、既存のシステムでは、このような多段圧縮機の段間領域をモニタしていない。 Compressors are used in various industries and systems to compress gases such as air. For example, gas turbine engines typically include a compressor that provides compressed air for combustion and cooling. As will be appreciated, compressor health affects machine performance, efficiency, downtime and overall availability. When compressor parts (eg, blades, seals, etc.) are worn or damaged, the compressor cannot perform sufficient compression of gas (eg, air) against the target system (eg, gas turbine engine). There is. In addition, failure of the compressor components can cause damage to the target system (eg, gas turbine engine), thereby resulting in downtime and increased repair costs. This is particularly a problem at power plants that utilize the continuous operation of gas turbine engines. As a result, it is desirable to identify failures early on to protect the compressor and downstream gas turbine engine components from damage. Unfortunately, existing systems are not particularly suitable for early detection of compressor failures. This is especially true for multistage compressors such as those used in power plant gas turbine engines. For example, existing systems do not monitor the interstage area of such a multistage compressor.
本願出願当初の特許請求の範囲に記載された発明の幾つかの実施形態について要約する。これらの実施形態は、特許請求の範囲に記載された発明の技術的範囲を限定するものではなく、本発明の可能な形態を簡単にまとめたものである。実際、本発明は、以下に記載する実施形態と同様のものだけでなく、異なる様々な実施形態を包含する。 Several embodiments of the invention described in the scope of claims of the present application will be summarized. These embodiments do not limit the technical scope of the invention described in the claims, but simply summarize possible forms of the invention. Indeed, the invention is not limited to the embodiments set forth below but encompasses various different embodiments.
第1の実施形態では、システムは、回転機械の動翼の複数の段の間の段間位置でのパラメータを検知するように構成された段間センサを含む。システムはまた、検知された段間パラメータに少なくとも部分的に基づいて、回転機械の故障を識別するように構成された制御装置も含む。 In a first embodiment, the system includes an interstage sensor configured to sense a parameter at an interstage position between multiple stages of a rotating machine blade. The system also includes a controller configured to identify a fault in the rotating machine based at least in part on the sensed interstage parameter.
第2の実施形態では、システムは、多段圧縮機の段の間の段間圧力測定を取得するように構成された制御装置を含む。制御装置はまた、少なくとも部分的に段間圧力測定に基づいて、多段圧縮機の実際の損傷を識別するように構成されている。 In a second embodiment, the system includes a controller configured to obtain an interstage pressure measurement between stages of a multistage compressor. The controller is also configured to identify actual damage to the multistage compressor based at least in part on the interstage pressure measurement.
第3の実施形態では、システムは、タービンエンジンを含む。タービンエンジンは、圧縮機、燃焼器及びタービンエキスパンダーを含む。圧縮機は、複数の圧縮機段を含む。システムはまた、タービンエンジン内の段間位置で複数のパラメータを測定するように構成された複数の段間センサを含む。システムはさらに、複数のパラメータに少なくとも部分的に基づいて、圧縮機段の1つにおける破損を識別するように構成された制御装置を含む。制御装置はまた、破損を示す警告を出力するか、破損に応答してタービンエンジンの運転パラメータを自動的に調整するか、破損に応答してタービンエンジンを自動的に停止するか、或いはこれらの組合せを実施するように構成されている。 In a third embodiment, the system includes a turbine engine. The turbine engine includes a compressor, a combustor, and a turbine expander. The compressor includes a plurality of compressor stages. The system also includes a plurality of interstage sensors configured to measure a plurality of parameters at interstage positions within the turbine engine. The system further includes a controller configured to identify a failure in one of the compressor stages based at least in part on the plurality of parameters. The controller may also output a warning indicating failure, automatically adjust turbine engine operating parameters in response to failure, automatically shut down the turbine engine in response to failure, or It is configured to implement a combination.
本発明の上記その他の特徴、態様及び利点については、図面と併せて以下の詳細な説明を参照することによって理解を深めることができるであろう。図面を通して、同様の部材には同様の符号を付した。 These and other features, aspects and advantages of the present invention may be better understood by reference to the following detailed description taken in conjunction with the drawings in which: Throughout the drawings, like reference numerals are used for like members.
以下、本発明の1以上の特定の実施形態について説明する。これらの実施形態を簡潔に説明するため、現実の実施に際してのあらゆる特徴について本明細書に記載しないこともある。実施化に向けての開発に際して、あらゆるエンジニアリング又は設計プロジェクトの場合と同様に、実施毎に異なる開発者の特定の目標(システム及び業務に関連した制約に従うことなど)を達成すべく、実施に特有の多くの決定を行う必要があることは明らかであろう。さらに、かかる開発努力は複雑で時間を要することもあるが、本明細書の開示内容に接した当業者にとっては日常的な設計、組立及び製造にすぎないことも明らかである。 The following describes one or more specific embodiments of the present invention. In an effort to provide a concise description of these embodiments, all features in an actual implementation may not be described herein. As with any engineering or design project, when developing for implementation, implementation-specific to achieve specific developer goals (such as complying with system and operational constraints) that vary from implementation to implementation It will be clear that many decisions need to be made. Furthermore, while such development efforts may be complex and time consuming, it will be apparent to those of ordinary skill in the art who have access to the disclosure herein only routine design, assembly and manufacture.
本発明の様々な実施形態の構成要素について紹介する際、単数形で記載したものは、その構成要素が1以上存在することを意味する。「含む」、「備える」及び「有する」という用語は内包的なものであり、記載した構成要素以外の追加の要素が存在していてもよいことを意味する。作動パラメータ及び/又は環境条件の例は、開示した実施形態以外のパラメータ/条件を除外するものではない。さらに、本発明の「一実施形態」又は「実施形態」という場合、その実施形態に記載された特徴をもつ別の実施形態が存在することを除外するものではない。 When introducing components of various embodiments of the present invention, what is written in the singular means that there are one or more of the components. The terms “comprising”, “comprising” and “having” are inclusive and mean that there may be additional elements other than the listed components. Examples of operating parameters and / or environmental conditions do not exclude parameters / conditions other than the disclosed embodiments. Furthermore, references to “one embodiment” or “an embodiment” of the present invention do not exclude the presence of other embodiments having the features described in that embodiment.
開示された実施形態は、多段回転機械内の故障を識別するために、多段回転機械(例えば、圧縮機、タービン等)の複数の段からの段間センサ測定(例えば、圧力、温度、音声、光学等)を使用するためのシステム及び方法を含む。簡略性のために、本明細書で開示される多段回転機械は、主に多段圧縮機について述べる。しかし、自明であろうが、本明細書で開示されるシステム及び方法は、複数の段を含む他のタイプの回転機械の故障を識別するために利用することもできる。 The disclosed embodiments provide interstage sensor measurements (eg, pressure, temperature, voice, etc.) from multiple stages of a multistage rotary machine (eg, compressor, turbine, etc.) to identify faults in the multistage rotary machine. Systems and methods for using such as optics). For simplicity, the multi-stage rotary machine disclosed herein will primarily describe a multi-stage compressor. However, as will be appreciated, the systems and methods disclosed herein may also be utilized to identify other types of rotating machine failures that include multiple stages.
正常運転中、多段圧縮機の各段は、作動流体の圧力及び温度を一定の量だけ、徐々に増加させる。多段圧縮機の各段における圧力及び温度の増加量は、速度、入口境界条件(例えば、流量、圧力、温度、組成等)、出口境界条件(例えば、流動抵抗等)及び段効率など、特定の運転条件によることができる。多段圧縮機での圧力及び温度の全体的な増加は、一般に個々の段の圧力及び温度増加の合計となる。したがって、1以上の段が標準より低い働きをする場合、多段圧縮機を出る作動流体の状態(例えば、圧力、温度、等)が影響を受ける。 During normal operation, each stage of the multistage compressor gradually increases the pressure and temperature of the working fluid by a certain amount. The amount of pressure and temperature increase in each stage of a multi-stage compressor is specific to the speed, inlet boundary conditions (eg, flow rate, pressure, temperature, composition, etc.), outlet boundary conditions (eg, flow resistance, etc.) and stage efficiency. Can depend on operating conditions. The overall increase in pressure and temperature in a multi-stage compressor is generally the sum of the individual stage pressure and temperature increases. Thus, if one or more stages perform below standard, the state of the working fluid exiting the multistage compressor (eg, pressure, temperature, etc.) is affected.
理想的には、多段圧縮機の吐出測定は、予測される性能又は過去の性能からの逸脱を検出できるほど十分に正確である。しかし、多段圧縮機内には数百又は数千の翼があることがあるため、個々の翼の1つの又はいくつかが故障しても、多段圧縮機の全体的な性能は、測定ノイズのレベルを超えて上昇するほど十分に、著しく変化をしないことがある。さらに、多段圧縮機の性能は、運転条件(例えば、案内翼位置、入口温度及び圧力、下流抵抗等)によって著しく異なることがあり、時間の経過とともに悪化することがあり(例えば、付着物、ブレード浸食、間隙の変化等による)、さらに故障検出を複雑にしている。 Ideally, the discharge measurement of a multistage compressor is sufficiently accurate to detect predicted performance or deviations from past performance. However, since there can be hundreds or thousands of blades in a multistage compressor, the overall performance of a multistage compressor can be measured at the level of measurement noise, even if one or several individual blades fail. May not change significantly enough to rise above. Furthermore, the performance of a multi-stage compressor may vary significantly depending on operating conditions (eg, guide vane position, inlet temperature and pressure, downstream resistance, etc.) and may deteriorate over time (eg, deposits, blades) It also complicates fault detection (by erosion, gap changes, etc.).
開示される実施形態は、多段圧縮機の故障検出への異なるアプローチをとることによって、これらの困難に取り組む。部品が多段圧縮機内で損傷又は故障したとき、多段圧縮機内の個々の段での圧力及び温度分布も変化する。多段圧縮機の全体的な性能の変化は容易に検出可能でないこともあるが、各段又は段のグループの相対的な性能をより明白にすることができ、したがって、部品の損傷又は故障をより確実に示すことができる。開示される実施形態は、多段圧縮機内の複数の位置(例えば、多段圧縮機の入口及び出口に加えて、1以上の段間位置)でのセンサ測定(例えば、圧力、温度、音声、光学等)を利用する。これらの段間センサ測定が、予測される値から逸脱している場合、段の1つで故障が起きていることを示すことができる。簡略性のために、本明細書で開示される段間センサ測定は、主に圧力センサ測定について述べる。しかし、自明であろうが、本明細書で開示されるシステム及び方法はまた、温度センサ測定、音声センサ測定、光学センサ測定又は多段圧縮機などの多段回転機械内の故障を示すことができる他のタイプのセンサ測定も含む。 The disclosed embodiments address these difficulties by taking a different approach to fault detection in multistage compressors. When parts are damaged or failed in a multistage compressor, the pressure and temperature distribution at the individual stages within the multistage compressor will also change. Changes in the overall performance of a multi-stage compressor may not be easily detectable, but the relative performance of each stage or group of stages can be made more obvious, thus reducing component damage or failure. It can be shown reliably. The disclosed embodiments provide sensor measurements (eg, pressure, temperature, sound, optics, etc.) at multiple locations within a multistage compressor (eg, one or more interstage locations in addition to the multistage compressor inlet and outlet). ). If these interstage sensor measurements deviate from the expected values, it can indicate that a failure has occurred in one of the stages. For simplicity, the interstage sensor measurements disclosed herein will mainly describe pressure sensor measurements. However, as will be appreciated, the systems and methods disclosed herein can also indicate failures in multi-stage rotating machines such as temperature sensor measurements, audio sensor measurements, optical sensor measurements or multi-stage compressors. This type of sensor measurement is also included.
連続する測定位置間の圧力の増加を、多段圧縮機での全体的な圧力の増加と比較することができ、それにより、圧力増加比率が測定される。これらの測定された圧力増加比率は、一般に多段圧縮機の性能に影響を及ぼすと考えられる、関連するいくつかの運転条件(例えば、シャフトの速度、案内翼位置、入口条件、出口条件等)の関数として扱うことができる。測定された圧力増加比率はまた、モデリング、他の多段圧縮機の測定又は同じ多段圧縮機の過去の測定によって判断された予測圧力増加比率と比較することもできる。測定された圧力増加比率が、予測される圧力増加比率から、あらかじめ定められた量以上に逸脱している場合、アラームの開始、多段圧縮機の停止等の適切な制御応答を開始することができる。 The increase in pressure between successive measurement positions can be compared to the overall increase in pressure in a multistage compressor, whereby the pressure increase rate is measured. These measured pressure increase ratios are generally associated with several relevant operating conditions (eg, shaft speed, guide vane position, inlet conditions, outlet conditions, etc.) that are believed to affect the performance of the multistage compressor. Can be treated as a function. The measured pressure increase rate can also be compared to the predicted pressure increase rate determined by modeling, other multi-stage compressor measurements, or past measurements of the same multi-stage compressor. When the measured pressure increase ratio deviates from the predicted pressure increase ratio by a predetermined amount or more, an appropriate control response such as an alarm start or a multistage compressor stop can be started. .
或いは、上述したように、ある実施形態では、圧力測定及び圧力増加比率に代えて或いはそれらと共に、温度測定及び温度増加比率を使用することができる。圧力測定又は温度測定のいずれかを使用するかの選択は、測定の不確実性及びそれによって得られる故障検出の感度によることができる。言い換えると、特定の多段圧縮機の圧力増加比率を使用することによってより信頼性の高い故障検出が得られる場合、圧力増加比率が温度増加比率より好ましいことがあり、逆もまた同様である。さらに、ある実施形態では、各々の多段圧縮機セクションの圧力及び温度の両方の増加を、他のそのようなセクションと比較することが、多段圧縮機での全体的な圧力及び/又は温度増加との比較に代えて或いはそれらと共に、有利となることがある。 Alternatively, as described above, in some embodiments, temperature measurements and temperature increase ratios can be used in place of or in conjunction with pressure measurements and pressure increase ratios. The choice of whether to use pressure measurement or temperature measurement can depend on the measurement uncertainty and the resulting fault detection sensitivity. In other words, if more reliable fault detection is obtained by using a specific multistage compressor pressure increase ratio, the pressure increase ratio may be preferable to the temperature increase ratio, and vice versa. Further, in some embodiments, comparing both the pressure and temperature increase of each multi-stage compressor section with other such sections is equivalent to the overall pressure and / or temperature increase in the multi-stage compressor. May be advantageous instead of or in conjunction with
図1は、ガスタービンエンジン12全体での段間測定に少なくとも部分的に基づいて、故障を初期に検出するように構成されている故障検出及び保護システム10の例示的な実施形態のブロック図である。ある実施形態では、故障検出及び保護システム10は、ガスタービンエンジン12の損傷及びダウンタイムが拡大する可能性が減少するように、検出された故障に早期に応答するように構成された制御装置14を含む。故障検出及び保護システム10は、モニタリングシステム18を介して、多段圧縮機16の全体にわたる複数の位置(例えば、入口、出口及び段間)での故障の検知に使用することができる。故障検出及び保護システム10はまた、モニタリングシステム22を介して、多段タービン20の全体にわたる複数の位置(例えば、入口、出口及び段間)での故障の検知に使用することもできる。ある実施形態では、モニタリングシステム18及び22は、単一のモニタリングシステムとして、ともに組合せることができる。以下で詳細に述べるように、段間測定(例えば、圧力、温度、音声、光学、流速、振動等)によって、制御装置14が圧縮機16及びタービン20における故障をより迅速に識別することが可能になり、それにより、損傷及びダウンタイムがより拡大する可能性が減少する。このことは、圧縮機16及びタービン20の段数が多くなると特に有利である。例えば、圧縮機16及びタービン20は、複数の段(例えば、5、10、15、20、25、30又はそれ以上の段)をそれぞれ有することができる。モニタリングシステム18及び22は、各段に配設された1以上のセンサを含むことができる。以下の説明は、主にガスタービンエンジン12との関連において圧縮機16について述べるが、開示される実施形態は、例えば、ガスタービン、蒸気タービン、水力タービン、別の動力源によって駆動される圧縮機等、動翼を有するどのような多段システムでも使用することができる。 FIG. 1 is a block diagram of an exemplary embodiment of a fault detection and protection system 10 that is configured to detect a fault early, based at least in part on interstage measurements across the gas turbine engine 12. is there. In some embodiments, the fault detection and protection system 10 is configured to respond early to detected faults so that the potential for increased damage and downtime of the gas turbine engine 12 is reduced. including. The fault detection and protection system 10 can be used via the monitoring system 18 to detect faults at multiple locations throughout the multi-stage compressor 16 (eg, inlet, outlet and interstage). The fault detection and protection system 10 can also be used via the monitoring system 22 to detect faults at multiple locations throughout the multi-stage turbine 20 (eg, inlets, outlets, and stages). In certain embodiments, the monitoring systems 18 and 22 can be combined together as a single monitoring system. Interstage measurements (eg, pressure, temperature, sound, optics, flow rate, vibration, etc.) allow controller 14 to more quickly identify faults in compressor 16 and turbine 20 as will be described in detail below. Thereby reducing the possibility of more damage and downtime. This is particularly advantageous when the number of stages of the compressor 16 and the turbine 20 is increased. For example, the compressor 16 and the turbine 20 may each have a plurality of stages (eg, 5, 10, 15, 20, 25, 30 or more stages). Monitoring systems 18 and 22 may include one or more sensors disposed at each stage. Although the following description describes the compressor 16 primarily in the context of the gas turbine engine 12, the disclosed embodiments may be, for example, a gas turbine, a steam turbine, a hydraulic turbine, a compressor driven by another power source. Any multi-stage system with blades can be used.
ある実施形態では、ガスタービンエンジン12は、圧縮された空気を液体又は気体燃料(天然ガス及び/又は水素に富んだ合成ガスなど)と混合することができる。図示するように、複数の燃料ノズル24が燃料供給を取り込み、燃料を空気と混合し、空気/燃料混合物を燃焼器26へと送り込む。空気/燃料混合物は燃焼器26内の室内で燃焼し、それにより、高温の加圧された排気ガスが生成される。燃焼器26は、排気ガスを、タービン20を通って排気出口28へと向かわせる。排気ガスがタービン20を通過すると、ガスによって、1以上のタービン動翼が、ガスタービンエンジン12の軸32に沿ってシャフト30を回転させる。図示するように、シャフト30は、多段圧縮機16を含む、ガスタービンエンジン12の様々な部品に連結されている。以下でより詳細に説明するように、多段圧縮機16は、シャフト30に連結することができる複数の動翼を備えた複数の段を含むことができる。したがって、シャフト30が回転すると、多段圧縮機16内の複数の動翼が回転し、それにより、空気取入口34から多段圧縮機16を通って燃料ノズル24及び/又は燃焼器26へと、空気を圧縮する。シャフト30はまた、車両或いは発電所内の発電機又は航空機のプロペラなどの固定負荷とすることができる、負荷36に連結されている。負荷36は、ガスタービンエンジン12の回転出力によって電力供給されるように構成された適切なデバイスを含むことができる。 In some embodiments, the gas turbine engine 12 may mix the compressed air with a liquid or gaseous fuel (such as natural gas and / or hydrogen rich synthesis gas). As shown, a plurality of fuel nozzles 24 take in the fuel supply, mix the fuel with air, and feed the air / fuel mixture into the combustor 26. The air / fuel mixture burns in a chamber within the combustor 26, thereby producing hot pressurized exhaust gas. The combustor 26 directs exhaust gas through the turbine 20 to the exhaust outlet 28. As the exhaust gas passes through the turbine 20, the gas causes one or more turbine blades to rotate the shaft 30 along the axis 32 of the gas turbine engine 12. As shown, the shaft 30 is coupled to various components of the gas turbine engine 12, including the multistage compressor 16. As will be described in more detail below, the multi-stage compressor 16 can include a plurality of stages with a plurality of blades that can be coupled to the shaft 30. Accordingly, when the shaft 30 rotates, the plurality of blades in the multistage compressor 16 rotate, thereby causing air to pass from the air intake 34 through the multistage compressor 16 to the fuel nozzle 24 and / or the combustor 26. Compress. The shaft 30 is also coupled to a load 36, which can be a fixed load, such as a generator in a vehicle or power plant or an aircraft propeller. The load 36 can include any suitable device configured to be powered by the rotational output of the gas turbine engine 12.
図2は、図1のガスタービンエンジン12の側面断面図である。図示されているように、ガスタービンエンジン12は、1以上の燃焼器26の内部にある1以上の燃料ノズル24を含む。動作に際しては、空気が空気取入口34を通ってガスタービンエンジン12に入り、空気を多段圧縮機16で加圧することができる。次いで、圧縮された空気を、燃焼器26内で燃焼するために、燃料と混合することができる。例えば、燃料ノズル24は、燃料/空気混合物を、最適な燃焼、排出、燃料消費及び出力に適した比率で、燃焼器26へと噴射することができる。燃焼によって高温の加圧された排気ガスが生成され、次いで、排気ガスはタービン20内の1以上の動翼列38を駆動して、シャフト30を回転させ、したがって多段圧縮機16及び負荷36を回転させる。また、シャフト30の回転によって、多段圧縮機16内の1以上の動翼40が、取入口34で受け取った空気を引き込み、加圧する。 FIG. 2 is a side sectional view of the gas turbine engine 12 of FIG. As shown, the gas turbine engine 12 includes one or more fuel nozzles 24 that are internal to one or more combustors 26. In operation, air can enter the gas turbine engine 12 through the air intake 34 and be pressurized with the multistage compressor 16. The compressed air can then be mixed with fuel for combustion in the combustor 26. For example, the fuel nozzle 24 may inject a fuel / air mixture into the combustor 26 at a ratio suitable for optimal combustion, emissions, fuel consumption and power. The combustion produces hot pressurized exhaust gas, which then drives one or more blade cascades 38 in the turbine 20 to rotate the shaft 30 and thus cause the multistage compressor 16 and the load 36 to move. Rotate. Further, the rotation of the shaft 30 causes one or more moving blades 40 in the multistage compressor 16 to draw in and pressurize the air received at the intake port 34.
ある実施形態では、図1の故障検出及び保護システム10は、圧縮機16の全体にわたる段間位置及びタービン20の全体にわたる段間位置を含む、タービンエンジン12全体にわたる入口、出口及び段間位置で、1以上のパラメータを測定するように構成されている。例えば、故障検出及び保護システム10は、入口44及び/又は出口48の圧縮機センサ42を含むだけでなく、圧縮機入口44、複数の段間圧縮機位置46、及び圧縮機出口48に配設された1以上の圧縮機センサ42を含むことができる。したがって、以下でより詳細に説明するように、圧縮機センサ42は、故障検出の時間及び場所が実質的に改善されるように構成されており、すなわち、より迅速な応答時間及びより正確な故障位置の識別が得られる。他の例では、故障検出及び保護システム10は、入口52及び/又は出口56のタービンセンサ50を含むだけでなく、タービン入口52、複数の段間タービン位置54及びタービン出口56に配設された1以上のタービンセンサ50を含むことができる。したがって、以下でより詳細に説明するように、タービンセンサ50は、故障検出の時間及び場所が実質的に改善されるように構成されており、すなわち、より迅速な応答時間及びより正確な故障位置の識別が得られる。自明であろうが、センサ42及び50は、圧力センサ、温度センサ、振動センサ、音声センサ、光学センサ又はそれらの組合せを含むことができる。これらのセンサ42及び50は、ケーシングの外周の周りの複数の位置、各段の上流及び下流側の複数の軸方向位置等に配置することができる。段間センサ42及び50は、段間センサ42及び50を備えていないシステムと比較して、故障が起きた場合に、応答時間を大幅に改善し、損傷が拡大する可能性が減少するように構成されている。 In certain embodiments, the fault detection and protection system 10 of FIG. 1 is at inlet, outlet, and interstage locations throughout the turbine engine 12, including interstage positions throughout the compressor 16 and interstage positions throughout the turbine 20. One or more parameters are configured to be measured. For example, the fault detection and protection system 10 not only includes the compressor sensor 42 at the inlet 44 and / or outlet 48, but is also disposed at the compressor inlet 44, the plurality of interstage compressor locations 46, and the compressor outlet 48. One or more compressor sensors 42 may be included. Accordingly, as described in more detail below, the compressor sensor 42 is configured to substantially improve the time and location of fault detection, i.e., faster response time and more accurate faults. Position identification is obtained. In other examples, fault detection and protection system 10 includes turbine sensor 50 at inlet 52 and / or outlet 56 as well as disposed at turbine inlet 52, multiple interstage turbine locations 54 and turbine outlet 56. One or more turbine sensors 50 may be included. Accordingly, as will be described in more detail below, the turbine sensor 50 is configured to substantially improve the time and location of fault detection, i.e., faster response time and more accurate fault location. Is obtained. As will be appreciated, the sensors 42 and 50 may include pressure sensors, temperature sensors, vibration sensors, audio sensors, optical sensors, or combinations thereof. These sensors 42 and 50 can be arranged at a plurality of positions around the outer periphery of the casing, a plurality of axial positions upstream and downstream of each stage, and the like. Interstage sensors 42 and 50 significantly improve response time and reduce the likelihood of increased damage if a failure occurs, compared to systems that do not include interstage sensors 42 and 50. It is configured.
例えば、開示された故障検出及び保護システム10と比較して、センサが圧縮機入口44及びタービン出口56にしか置かれていない場合、故障モニタリングは特に遅くなり、場所に対して応答しない。これらの位置は、センサが容易にアクセス可能であるが、これらの入口44と出口位置56との間にセンサ42及び50がないと、大部分の空間がモニタされない。言い換えると、センサが入口44及び出口56にしか置かれていない場合、変化はタービンエンジン12の全体にわたって平均化され、それにより、圧縮機16又はタービン20のいずれかにおける故障を識別することが困難になる。圧縮機16又はタービン20の1つの特定の段で重大な故障があると、その特定の段の温度及び/又は圧力に変化が起きるが、この変化の影響は、入口44及び出口56のセンサのみでは、検出不可能なことがある。同様に、圧縮機16が圧縮機入口44及び圧縮機出口48のセンサのみによってモニタされる場合、故障は、より局所的に測定可能な影響と比較して、測定可能な出口条件の変動がより小さいため、容易に検出できないことがある。さらに、タービン入口52及びタービン出口56のセンサのみによってタービン20がモニタされる場合、複数の段にわたって平均化され、及び/又は例えば選択された出力を維持するように補償制御動作が行われるために、故障を容易に検出することができない。 For example, compared to the disclosed fault detection and protection system 10, fault monitoring is particularly slow and does not respond to location if sensors are only located at the compressor inlet 44 and turbine outlet 56. These positions are easily accessible by the sensors, but without the sensors 42 and 50 between these inlets 44 and outlet positions 56, most of the space is not monitored. In other words, if sensors are only located at the inlet 44 and outlet 56, the changes are averaged across the turbine engine 12, thereby making it difficult to identify faults in either the compressor 16 or the turbine 20. become. A major failure in one particular stage of the compressor 16 or turbine 20 will cause changes in the temperature and / or pressure of that particular stage, but this change will only affect the sensors at the inlet 44 and outlet 56. Then, it may not be detected. Similarly, if the compressor 16 is monitored only by the compressor inlet 44 and compressor outlet 48 sensors, the failure will result in a more measurable exit condition variation compared to a more locally measurable effect. Because it is small, it may not be easily detected. Further, if the turbine 20 is monitored only by the turbine inlet 52 and turbine outlet 56 sensors, it is averaged over multiple stages and / or a compensation control action is performed, for example, to maintain a selected output. Failure can not be detected easily.
回転ターボ機械における故障検出の一般的な手段は、軸受け58、60における振動モニタリングである。この手段は、動翼が損傷又は故障した場合に回転子に不均衡が生じることを利用する。故障した部品が静翼である場合、遊離した部品が下流の動翼を検出可能な不均衡を引き起こすほど十分に損傷しない限り、一般に検出可能な不均衡は生じない。同様に、機械が非常に大きく、故障した動翼が非常に小さい場合、やはりこの手段では問題が検出不可能なことがある。したがって、小さい問題であっても、一般に、制御部又はオペレータによって保護動作が必要であると気付く前に、(例えば、下流部品への付随的損傷によって)軸受け振動を通して検出可能な大きさにならざるを得ない。さらに、この手段によって故障が検出される場合、振動の特徴から得られる診断情報は、故障の位置及びその進行履歴について、大雑把なガイダンスしか提供することができない。一般に、限られた位置(すなわち、段間ではない位置)での上記の測定は故障を早期に十分に検出せず、それにより、重大な損傷が起きる前に是正措置をとることのできる能力が低くなる。 A common means of fault detection in rotating turbomachines is vibration monitoring at bearings 58,60. This measure takes advantage of the rotor being unbalanced if the blade is damaged or fails. If the failed part is a stationary blade, generally no detectable imbalance will occur unless the detached part is sufficiently damaged to cause a downstream blade to be detectable. Similarly, if the machine is very large and the failed blade is very small, the problem may still be undetectable by this measure. Thus, even a minor problem will generally not be detectable through bearing vibration (eg, due to incidental damage to downstream components) before the controller or operator realizes that a protective action is required. I do not get. Further, when a failure is detected by this means, the diagnostic information obtained from the vibration characteristics can only provide rough guidance on the location of the failure and its progress history. In general, the above measurements at limited locations (ie, not interstage locations) do not detect failures early enough, and thus have the ability to take corrective action before significant damage occurs. Lower.
また、故障検出及び保護システム10の開示された実施形態では、圧縮機16、タービン20又はそれらの組合せの1以上の段間位置でセンサを利用することによって、故障検出の時間及び場所の感度が高くなる。以下の説明では、故障検出及び保護システム10を、圧縮機16に関して説明するが、故障検出及び保護システム10はタービン20及び他の多段システムにも同じく適応可能であることが理解されよう。様々な段間位置46及び54で、センサ42及び50は、圧力、温度、振動、音声又はそれらの組合せをモニタすることができる。これらの測定されたパラメータは、他の段(すなわち、上流及び/又は下流)、入口44及び52、出口48及び56又はそれらの組合せと比較することができる。例えば、開示された実施形態は、故障を示す異常を識別するために、ベースライン比率をリアルタイム比率と比較することができる。比率は、段間パラメータ対入口パラメータ、段間パラメータ対出口パラメータ、第1段間パラメータ対第2段間パラメータ又はそれらの組合せを含むことができる。また、パラメータは、温度、圧力、振動、音声又はそれらの組合せを含むことができる。 Also, in the disclosed embodiment of the fault detection and protection system 10, the time and location sensitivity of fault detection is achieved by utilizing sensors at one or more interstage positions of the compressor 16, turbine 20 or combinations thereof. Get higher. In the following description, the fault detection and protection system 10 will be described with respect to the compressor 16, but it will be understood that the fault detection and protection system 10 is equally applicable to the turbine 20 and other multi-stage systems. At various interstage positions 46 and 54, sensors 42 and 50 can monitor pressure, temperature, vibration, sound, or combinations thereof. These measured parameters can be compared to other stages (ie, upstream and / or downstream), inlets 44 and 52, outlets 48 and 56, or combinations thereof. For example, the disclosed embodiments can compare the baseline ratio to the real-time ratio to identify anomalies that indicate a failure. The ratio can include an interstage parameter versus an inlet parameter, an interstage parameter versus an exit parameter, a first interstage parameter versus a second interstage parameter, or a combination thereof. The parameters can also include temperature, pressure, vibration, sound, or combinations thereof.
図3は、図1及び2のガスタービンエンジン12の多段圧縮機16の、例示的な実施形態の側面断面図である。図示されているように、多段圧縮機16は、多段圧縮機16の長さに沿って置かれた複数のセンサを含むことができる。特に、多段圧縮機16の図示された実施形態は、多段圧縮機16の入口44付近の入口センサ62及び多段圧縮機16の出口48付近の出口センサ64を含む。さらに、多段圧縮機16は、多段圧縮機16の段の間に置かれた1以上の段間センサ66を含む。段間センサ66は、ケーシングの外周の周りの複数の位置、各段の上流及び下流側の複数の軸方向位置等に配置することができる。段間センサ66の正確な数は、実施例ごとに異なることができる。例えば、ある実施形態では、多段圧縮機16は、多段圧縮機16のすべての段の間に1以上の段間センサ66を含むことができる。しかし、他の実施形態では、いくつかの段は、段間センサ66を含まないことができる。段間センサ66の数は、多段圧縮機16に固有の条件にしたがって決めることができる。例えば、ある段は、センサを置くのに適切な位置を含まないことができる。さらに、場合によっては、費用の制限によって使用される段間センサ66の数が限られることがある。 FIG. 3 is a side cross-sectional view of an exemplary embodiment of the multi-stage compressor 16 of the gas turbine engine 12 of FIGS. As shown, the multi-stage compressor 16 may include a plurality of sensors placed along the length of the multi-stage compressor 16. In particular, the illustrated embodiment of the multi-stage compressor 16 includes an inlet sensor 62 near the inlet 44 of the multi-stage compressor 16 and an outlet sensor 64 near the outlet 48 of the multi-stage compressor 16. Further, the multistage compressor 16 includes one or more interstage sensors 66 positioned between the stages of the multistage compressor 16. The interstage sensor 66 can be arranged at a plurality of positions around the outer periphery of the casing, at a plurality of axial positions upstream and downstream of each stage, and the like. The exact number of interstage sensors 66 can vary from embodiment to embodiment. For example, in certain embodiments, the multi-stage compressor 16 may include one or more inter-stage sensors 66 between all stages of the multi-stage compressor 16. However, in other embodiments, some stages may not include an interstage sensor 66. The number of interstage sensors 66 can be determined according to conditions specific to the multistage compressor 16. For example, a stage may not include a suitable location for placing the sensor. Further, in some cases, cost limitations may limit the number of interstage sensors 66 used.
上述のように、ある実施形態では、入口センサ62、出口センサ64、及び複数の段間センサ66は、圧力センサ、温度センサ、振動センサ、音声センサ、光学センサ、流速センサ等を含むことができる。特定の段内に故障又は他のタイプの損傷がある場合、損傷を受けている段における圧力及び温度の上昇が、大きく影響を受けることがある。実際、故障が十分に大きい場合、損傷を受けている段における圧力及び温度の上昇は、ゼロ又は少なくとも無視できる大きさにまで減少することがある。例えば、圧力低下及び温度上昇は、予測値の10、20、30、40、50、60、70、80、90%以上又は予測値の100%、変化することがある。したがって、段間圧力及び温度をモニタすることによって、多段圧縮機16内の故障をより容易に検出することができる。言い換えると、故障が1つの段又は数段で起きたために多段圧縮機16全体の性能の変化が容易に検出可能でない場合であっても、各段又は段のグループの相対的性能がより明白になり、部品の損傷又は故障がより確実に示される。 As described above, in some embodiments, the inlet sensor 62, the outlet sensor 64, and the plurality of interstage sensors 66 can include pressure sensors, temperature sensors, vibration sensors, audio sensors, optical sensors, flow rate sensors, and the like. . If there is a failure or other type of damage within a particular stage, the pressure and temperature rise in the damaged stage can be greatly affected. In fact, if the failure is large enough, the pressure and temperature rise in the damaged stage may be reduced to zero or at least negligible. For example, the pressure drop and temperature increase may vary by 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90% or more of the predicted value or 100% of the predicted value. Therefore, a failure in the multistage compressor 16 can be detected more easily by monitoring the interstage pressure and temperature. In other words, the relative performance of each stage or group of stages is more obvious even if a change in the overall performance of the multistage compressor 16 is not readily detectable because a failure has occurred in one or several stages. Thus, the damage or failure of the part is more reliably indicated.
圧力及び温度測定は、多段圧縮機16内の故障の検出に使用することのできる唯一のタイプの段間測定ではない。例えば、ある実施形態では、段間センサ66に音声センサを使用することができる。多段圧縮機16の個々の段内の音声特徴を使用して、故障を検出することもできる。さらに、他の実施形態では、段間センサ66に光学センサを使用することもできる。光学センサによって検出された光の変化によって、多段圧縮機16内の故障を示すことができる、多段圧縮機16を流れる作動流体の流れの変化を示すことができる。さらに、多段圧縮機16内の故障を示すことのできる、どのようなタイプのセンサ(例えば、振動センサ、流速センサ等)を使用することもできる。 Pressure and temperature measurements are not the only type of interstage measurement that can be used to detect faults in the multistage compressor 16. For example, in some embodiments, an audio sensor can be used for the interstage sensor 66. Audio features within individual stages of the multistage compressor 16 can also be used to detect faults. Furthermore, in other embodiments, an optical sensor may be used for the interstage sensor 66. A change in the light detected by the optical sensor can indicate a change in the flow of the working fluid flowing through the multistage compressor 16 that can indicate a failure in the multistage compressor 16. In addition, any type of sensor (eg, vibration sensor, flow rate sensor, etc.) that can indicate a failure in the multi-stage compressor 16 can be used.
図4は、5つの個々の段を備えた多段圧縮機16の例示的な実施形態の圧力プロファイルのグラフである。図示されたグラフは、正常運転中の第1の圧力プロファイル68及び多段圧縮機16の第3段が故障中の第2の圧力プロファイル70を表す。図示されているように、正常状態では、第1の圧力プロファイル68は、個々の段での圧力増加が比較的一定となることができる。しかし、この正常な圧力上昇プロファイルは、機械に固有のものであることに注意されたい。例えば、正常運転状態で、ある個々の段は、他の段より大きい圧力増加を生じさせることができる。ともかく、多段圧縮機16での総合的な圧力増加は、5つの図示された段での圧力増加の合計と等しくなることができる。 FIG. 4 is a graph of the pressure profile of an exemplary embodiment of a multi-stage compressor 16 with five individual stages. The illustrated graph represents a first pressure profile 68 during normal operation and a second pressure profile 70 during which the third stage of the multi-stage compressor 16 is in failure. As shown, under normal conditions, the first pressure profile 68 can have a relatively constant increase in pressure at individual stages. However, note that this normal pressure rise profile is machine specific. For example, under normal operating conditions, one individual stage can cause a pressure increase that is greater than the other stages. In any case, the overall pressure increase in the multistage compressor 16 can be equal to the sum of the pressure increases in the five illustrated stages.
図示されているように、多段圧縮機16の第3段に故障が起きたというシナリオでは、多段圧縮機16の第3段での圧力増加が大幅に減少することがある。他の4つの段は、第3段での圧力の損失を、ある程度まで補償することができる。例えば、第1段及び第2段での圧力増加は、第1の圧力プロファイル68(例えば、正常運転)から第2の圧力プロファイル70(第3段が故障している)へ増加することが示されている。さらに、第4段及び第5段での圧力増加もまた、第1の圧力プロファイル68(例えば、正常運転)から第2の圧力プロファイル70(第3段が故障している)へと増加することが示されている。 As illustrated, in a scenario where the third stage of the multistage compressor 16 has failed, the pressure increase in the third stage of the multistage compressor 16 may be significantly reduced. The other four stages can compensate to some extent for the pressure loss in the third stage. For example, an increase in pressure at the first and second stages is shown to increase from a first pressure profile 68 (eg, normal operation) to a second pressure profile 70 (third stage is faulty). Has been. In addition, the pressure increase in the fourth and fifth stages also increases from the first pressure profile 68 (eg, normal operation) to the second pressure profile 70 (third stage has failed). It is shown.
ある実施形態では、多段圧縮機16の各段での圧力増加を、多段圧縮機16での全体的な圧力増加と比較することができる。例えば、正常状態における多段圧縮機16が図4に示されていると想定すると(第1の圧力プロファイル68)、多段圧縮機16の個々の段は、全く同じ量の圧力増加を生じさせる。これらの正常状態では、個々の段はそれぞれ、多段圧縮機16の総合的な圧力増加の20%を生じさせる。しかし、図4に図示されるように、第3段で部品の故障又は損傷が起きているシナリオであると想定すると(第2の圧力プロファイル70)、第3段での圧力増加はゼロにまで減少している一方で、他の4つの段が第3段での圧力増加の減少を完全に補償している。この故障シナリオでは、第3段が多段圧縮機16の総合的な圧力増加の0%を生じさせる一方、他の4つの段はそれぞれ、多段圧縮機16の総合的な圧力増加の25%を生じさせる。多段圧縮機16の個々の段のそれぞれでの圧力増加のこれらの変化をモニタすることによって、部品の故障又は損傷をより迅速に検出し、より正確に故障の場所を特定することが可能になる(この例では多段圧縮機16の第3段)。例えば、特定の段又は少なくとも少数の段内で、部品の損傷又は故障の場所を特定することができる。この例では、実際の機械では一般的であるように、圧縮機の出口圧力は故障による影響をほぼ受けておらず、したがって出口圧力はそれ自体で、又は入口圧力と組合せても、故障を示していないことにも注意されたい。 In some embodiments, the pressure increase at each stage of the multi-stage compressor 16 can be compared to the overall pressure increase at the multi-stage compressor 16. For example, assuming that the multi-stage compressor 16 in the normal state is shown in FIG. 4 (first pressure profile 68), the individual stages of the multi-stage compressor 16 produce exactly the same amount of pressure increase. Under these normal conditions, each individual stage produces 20% of the overall pressure increase of the multistage compressor 16. However, as illustrated in FIG. 4, assuming that the third stage has a component failure or damage (second pressure profile 70), the pressure increase in the third stage is zero. While decreasing, the other four stages fully compensate for the reduced pressure increase in the third stage. In this failure scenario, the third stage produces 0% of the overall pressure increase of the multistage compressor 16, while the other four stages each produce 25% of the overall pressure increase of the multistage compressor 16. Let By monitoring these changes in pressure increase at each of the individual stages of the multi-stage compressor 16, it becomes possible to more quickly detect component failures or damage and more accurately locate the failure. (In this example, the third stage of the multistage compressor 16). For example, the location of a component damage or failure can be identified within a particular stage or at least a few stages. In this example, as is common in real machines, the compressor outlet pressure is almost unaffected by the failure, and therefore the outlet pressure indicates failure, either by itself or in combination with the inlet pressure. Please note that it is not.
多段圧縮機16の各段での圧力増加を多段圧縮機16での全体的な圧力増加と比較することに加えて、多段圧縮機16の各段での圧力増加を、正常運転中の各段での圧力増加と比較することができ、又は多段圧縮機16の他の段の圧力増加と比較することができる。この方法によって、測定された変化を拡大することができ、部品の故障又は損傷がより容易に検出可能になる。例えば、図4に示すように、多段圧縮機16の第3段は、正常運転中(第1の圧力プロファイル68)、多段圧縮機16の総合的な圧力増加の20%を生じさせることができる。しかし、第3段の部品が故障又は損傷中(第2の圧力プロファイル70)、第3段は、多段圧縮機16の総合的な圧力増加の0%を生じさせることがある。したがって、第3段の部品が故障又は損傷中、第3段によって生じる圧力増加は、図示された例では、100%減少することができる。反対に、図4に示すように、多段圧縮機16の他の4つの段もまた、正常運転中(第1の圧力プロファイル68)、多段圧縮機16の総合的な圧力増加の20%を生じさせることができる。しかし、第3段の部品が故障又は損傷中(第2の圧力プロファイル70)、他の4つの段は、多段圧縮機16の総合的な圧力増加の25%を生じさせることができる。したがって、第3段の部品が故障又は損傷中、他の4つの段によって生じる圧力増加は、図示された例では、25%増加することができる(例えば、(25%〜20%)を20%で割る)。 In addition to comparing the pressure increase at each stage of the multi-stage compressor 16 with the overall pressure increase at the multi-stage compressor 16, the pressure increase at each stage of the multi-stage compressor 16 is compared with each stage during normal operation. Can be compared with the pressure increase at the other stage, or can be compared with the pressure increase at other stages of the multi-stage compressor 16. In this way, the measured changes can be magnified and component failures or damage can be more easily detected. For example, as shown in FIG. 4, the third stage of the multi-stage compressor 16 can cause 20% of the overall pressure increase of the multi-stage compressor 16 during normal operation (first pressure profile 68). . However, when the third stage component is in failure or damage (second pressure profile 70), the third stage may cause 0% of the overall pressure increase of the multi-stage compressor 16. Thus, while the third stage component fails or is damaged, the pressure increase caused by the third stage can be reduced by 100% in the illustrated example. Conversely, as shown in FIG. 4, the other four stages of multistage compressor 16 also produce 20% of the overall pressure increase of multistage compressor 16 during normal operation (first pressure profile 68). Can be made. However, when the third stage component is in failure or damage (second pressure profile 70), the other four stages can cause 25% of the overall pressure increase of the multi-stage compressor 16. Thus, while the third stage component fails or is damaged, the pressure increase caused by the other four stages can be increased by 25% in the illustrated example (e.g., (25% -20%) by 20%). Divide by).
多段圧縮機16の個々の段での圧力増加を測定しモニタすることに加えて、多段圧縮機16の他のセクションでの圧力増加を測定しモニタすることもできる。セクションは、多段圧縮機16の複数の個々の段を含むことができる。例えば、図4に示す例では、多段圧縮機16の第1のセクションは、多段圧縮機16の第1、第2及び第3の段を含むことができ、多段圧縮機16の第2のセクションは、多段圧縮機16の第4及び第5の段を含むことができる。実際、段のどのような組合せも、多段圧縮機16内の故障を検出するためのセクションとして使用することができる。 In addition to measuring and monitoring pressure increases at individual stages of the multistage compressor 16, pressure increases at other sections of the multistage compressor 16 can also be measured and monitored. The section can include a plurality of individual stages of the multi-stage compressor 16. For example, in the example shown in FIG. 4, the first section of the multi-stage compressor 16 can include the first, second, and third stages of the multi-stage compressor 16, and the second section of the multi-stage compressor 16. May include the fourth and fifth stages of the multi-stage compressor 16. In fact, any combination of stages can be used as a section for detecting faults in the multistage compressor 16.
上述したように、図4に示す第1の圧力プロファイル68は、多段圧縮機16の正常運転状態を表す。第1の圧力プロファイル68は、多段圧縮機16の複数の段での性能の適切な表現を使用して、測定することができる。例えば、ある実施形態では、多段圧縮機16の予測される圧力プロファイルは、多段圧縮機16の過去の性能に基づいて測定することができる。他の実施形態では、多段圧縮機16の予測される圧力プロファイルは、予測モデルを使用して測定することができる。さらに他の実施形態では、多段圧縮機16の予測される圧力プロファイルは、過去の性能、予測モデル、及び使用されている特定の多段圧縮機16又は別の同程度の多段圧縮機16のいずれかに関して実証又は計算された他の方法の組合せを組み込むことができる。さらに、多段圧縮機16の予測される圧力プロファイルは、一般に性能に影響を及ぼすと予測される、多段圧縮機16の関連する運転条件の関数とすることができる。例えば、ある実施形態では、予測される圧力プロファイルは、シャフトの速度、案内翼位置、入口条件、出口条件等の関数とすることができる。ともかく、予測される圧力プロファイルは、(例えば、段間センサ66によって検知される)段間パラメータと比較することのできるベースラインということができる。 As described above, the first pressure profile 68 shown in FIG. 4 represents the normal operation state of the multistage compressor 16. The first pressure profile 68 can be measured using an appropriate representation of the performance at multiple stages of the multistage compressor 16. For example, in some embodiments, the predicted pressure profile of the multi-stage compressor 16 can be measured based on the past performance of the multi-stage compressor 16. In other embodiments, the predicted pressure profile of the multi-stage compressor 16 can be measured using a predictive model. In still other embodiments, the predicted pressure profile of the multi-stage compressor 16 is either past performance, prediction model, and either the particular multi-stage compressor 16 being used or another comparable multi-stage compressor 16. Other method combinations demonstrated or calculated with respect to can be incorporated. Further, the predicted pressure profile of the multi-stage compressor 16 can be a function of the associated operating conditions of the multi-stage compressor 16 that are generally expected to affect performance. For example, in some embodiments, the predicted pressure profile can be a function of shaft speed, guide vane position, inlet conditions, outlet conditions, and the like. In any event, the predicted pressure profile can be referred to as a baseline that can be compared to an interstage parameter (eg, detected by interstage sensor 66).
特定の段又は段のセクションの圧力増加比率が、段又は段のセクションの予測される圧力増加比率から、あらかじめ定められた量以上に逸脱している(例えば、増加又は減少)と判断されると、適切な制御応答を開始することができる。例えば、ある環境では、適切な制御応答は、圧力増加比率が、予測される圧力増加比率からあらかじめ定められた量以上に逸脱していることを多段圧縮機16のオペレータに警告することとすることができる。例えば、予測される圧力増加比率からの逸脱が少量に過ぎないとき、又は逸脱が短期間に起きただけであるときも、オペレータに警告することができる。警告は、音声警告(例えば、ビープ音)、振動、光(例えば、発光ダイオードから)、表示メッセージ(例えば、表示スクリーンに)、電子メールメッセージ、テキストメッセージ等を含むことができる。しかし、予測される圧力増加比率からの逸脱が、より大きい値になる、又は長期間にわたって連続して起きると、多段圧縮機16の運転パラメータは、自動的に調整することができる。例えば、ある環境では、多段圧縮機16は、予測される圧力増加比率からの逸脱に応答して、停止することができる。 When it is determined that the pressure increase rate of a particular stage or section of sections deviates (eg, increases or decreases) from the expected pressure increase ratio of the stage or stage section by a predetermined amount or more. An appropriate control response can be initiated. For example, in some circumstances, an appropriate control response may alert the operator of the multi-stage compressor 16 that the pressure increase rate deviates more than a predetermined amount from the expected pressure increase rate. Can do. For example, the operator can be alerted when there is only a small deviation from the expected rate of pressure increase, or when the deviation has only occurred in a short period of time. Alerts can include audio alerts (eg, beeps), vibrations, light (eg, from a light emitting diode), display messages (eg, on a display screen), email messages, text messages, and the like. However, the operating parameters of the multi-stage compressor 16 can be automatically adjusted when the deviation from the expected pressure increase rate becomes a larger value or occurs continuously over a long period of time. For example, in some circumstances, the multi-stage compressor 16 can be shut down in response to deviations from the expected pressure increase rate.
多段圧縮機16内の段数が増加すると、圧力増加比率の比較を使用する故障検出の感度は、幾分低下することがある。例えば、図4には5つの段のみを有すると図示されているが、多段圧縮機16は、より多くの段を含むことができる。例えば、ある実施形態では、多段圧縮機16は、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30又はそれ以上の段を含むことができる。図4に示した例では、正常運転中(例えば、第1の圧力プロファイル68)、個々の段が多段圧縮機16の総合的な圧力増加の約20%を生じさせる。しかし、例えば、30段を有する多段圧縮機16では、正常運転中(例えば、第1の圧力プロファイル68)、個々の段によって生じる圧力増加は、多段圧縮機16の総合的な圧力増加のわずかに3%のオーダとすることができる。さらに、図4に示された例は、第3段の部品が故障又は損傷中(例えば、第2の圧力プロファイル70)、第3段での圧力増加はゼロ又は少なくとも無視できる大きさにまで減少することを想定している。しかし、実際には、多段圧縮機16の段内で部品が故障又は損傷している場合であっても、影響を受ける段は、実際は、ある程度の量の圧力増加を生成することは依然として可能である。これらの両方の理由から、より多くの段数を有する多段圧縮機16では、圧力増加比率の比較を使用して多段圧縮機16内で故障を検出する能力は、モニタリングの範囲及び感度によって決まる。 As the number of stages in multi-stage compressor 16 increases, the sensitivity of fault detection using pressure increase ratio comparison may be somewhat reduced. For example, while FIG. 4 illustrates only five stages, the multi-stage compressor 16 can include more stages. For example, in one embodiment, the multi-stage compressor 16 is 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28. 29, 30 or more stages. In the example shown in FIG. 4, during normal operation (e.g., first pressure profile 68), the individual stages cause about 20% of the overall pressure increase of the multistage compressor 16. However, for example, in a multi-stage compressor 16 having 30 stages, during normal operation (eg, first pressure profile 68), the pressure increase caused by the individual stages is slightly less than the overall pressure increase of the multi-stage compressor 16. It can be on the order of 3%. In addition, the example shown in FIG. 4 shows that the third stage component is in failure or damage (eg, second pressure profile 70), and the pressure increase at the third stage is reduced to zero or at least negligible. Assumes that In practice, however, the affected stage is still capable of producing a certain amount of pressure increase, even if parts are broken or damaged within the stage of the multi-stage compressor 16. is there. For both of these reasons, in a multi-stage compressor 16 having a larger number of stages, the ability to detect faults in the multi-stage compressor 16 using a comparison of pressure increase ratios depends on the scope and sensitivity of monitoring.
例えば、図5は、例示的な20段圧縮機16の総合的な圧力増加と比較した、例示的な20段圧縮機16の最初の15段の圧力増加割合のグラフである。20段圧縮機16は、多段圧縮機16内の故障の検出に使用される感度の程度を例示するために、単に多段圧縮機16の例示的な実施形態としたに過ぎない。図示されているように、圧力増加比率72(例えば、例示的な20段圧縮機16の総合的な圧力増加に対する、最初の15段での圧力増加)は、例示的な20段圧縮機16の段の1つが故障中、4つの個別の運転段階を経験することができる。例えば、時間t1では、例示的な20段圧縮機16は、定常状態(例えば、故障が起きる前、及び明らかな問題がない状態)に達しているものとすることができる。図示されているように、圧力増加比率72は、約74%のほぼ定常状態値に達しているものとすることができる。しかし、時間t2では、圧力増加比率72の初期の逸脱を検出することができる。図示されているように、圧力増加比率72は新しい定常状態値に達することができ、その増加は、わずかに1%のオーダとすることができる(例えば、約74%から約75%)。しかし、以前の定常状態値からのそのような急な増加は、例示的な20段圧縮機16内で故障が起きていることを示すことができる。より詳細には、1〜15段で生じる圧力増加が増加しているということは、1〜15段の下流(例えば、16〜20段)で故障が起きていることを示すことができる。次に、時間t3では、圧力増加比率72の漸進的な悪化が見られる(例えば、約75%から約76%へ漸増)。次いで、時間t4では、悪化の最終段階によって、急激に増加し(例えば、約76%から約83%)、時間t5のほぼ100%に向かって急に進行することがある。この最終的な悪化期間に、例示的な20段圧縮機16への過度の損傷のほとんどが起きることがある。 For example, FIG. 5 is a graph of the first 15-stage pressure increase rate of the exemplary 20-stage compressor 16 compared to the overall pressure increase of the exemplary 20-stage compressor 16. The 20-stage compressor 16 is merely an exemplary embodiment of the multi-stage compressor 16 to illustrate the degree of sensitivity used to detect faults within the multi-stage compressor 16. As shown, the pressure increase ratio 72 (eg, the pressure increase in the first 15 stages relative to the overall pressure increase of the exemplary 20 stage compressor 16) is that of the exemplary 20 stage compressor 16. While one of the stages is in failure, four separate operating stages can be experienced. For example, at time t 1, an exemplary 20-stage compressor 16, a steady state (e.g., prior to, and clear state with no problem failure occurs) it can be assumed to be reached. As shown, the pressure increase rate 72 may have reached a substantially steady state value of about 74%. However, at time t 2, it is possible to detect the initial deviation of the pressure increase ratio 72. As shown, the pressure increase rate 72 can reach a new steady state value, and the increase can be on the order of only 1% (eg, about 74% to about 75%). However, such a sudden increase from the previous steady state value can indicate that a failure has occurred within the exemplary 20-stage compressor 16. More specifically, an increase in the pressure increase that occurs in stages 1-15 can indicate that a failure has occurred downstream of stage 1-15 (e.g., 16-20 stages). Next, at time t 3 , there is a gradual deterioration of the pressure increase rate 72 (eg, from about 75% to about 76%). Then, at time t 4 , it may increase rapidly (eg, from about 76% to about 83%) depending on the final stage of deterioration, and progress rapidly toward nearly 100% of time t 5 . During this eventual deterioration period, most of the undue damage to the exemplary 20-stage compressor 16 may occur.
したがって、図5に示すように、故障が起きたとき、(例えば、t4後に)損傷が過度になる前に、実質的にリアルタイムで、又は迅速に応答して故障を検出するためには、悪化の最初の数段階(例えば、時間t2から時間t4の間)を検出する能力が重要である。ある実施形態では、実質的にリアルタイムで故障を検出することは、10、20、30、40、50又は60秒未満の時間内に故障を検出することを含むことができる。ある実施形態では、迅速に応答して故障を検出することは、5、10、15又は20分未満の時間内に故障を検出することを含むことができる。故障を検出することができる時間の長さは、特定の多段圧縮機16の運転条件及び部品の故障状態によることができる。例えば、図5に示すように、多段圧縮機16がより多くの数の段を含むとき、圧力増加比率72では比較的少ない増加量を検出可能とすることができる。したがって、多段圧縮機16がより少ない段を含むとき、又はより深くモニタされるとき、故障を検出するための時間は、より長くなることができる。 Thus, as shown in FIG. 5, when a failure occurs, in order to detect the failure in substantial real-time or quickly before the damage becomes excessive (eg, after t 4 ), the first few stages of deterioration (e.g., from the time t 2 during time t 4) is important ability to detect. In certain embodiments, detecting a fault in substantially real time can include detecting the fault within a time period of less than 10, 20, 30, 40, 50, or 60 seconds. In some embodiments, quickly detecting a failure in response can include detecting the failure within a time of less than 5, 10, 15 or 20 minutes. The length of time that a failure can be detected can depend on the operating conditions of the particular multistage compressor 16 and the failure state of the component. For example, as shown in FIG. 5, when the multistage compressor 16 includes a larger number of stages, the pressure increase ratio 72 can detect a relatively small increase amount. Thus, when the multi-stage compressor 16 includes fewer stages or is monitored more deeply, the time to detect a fault can be longer.
図6は、段間圧力増加比率を使用して、多段圧縮機16の故障を識別する方法74の例示的な実施形態である。段階76では、多段圧縮機16の段の間で1以上の段間パラメータを検知することができる。上述したように、検知される段間パラメータは、多段圧縮機16内の故障を識別するためのどのような適切なパラメータとすることもできる。例えば、ある実施形態では、検知される段間パラメータは、段間圧力とすることができ、又はより詳細には、段間圧力センサによって検知される段間圧力増加とすることができる。他の実施形態では、検知される段間パラメータは、段間温度とすることができ、又はより詳細には、段間温度センサによって検知される段間温度増加とすることができる。さらに、他のタイプの段間センサを利用することもできる。例えば、多段圧縮機16内の故障を示す音声パラメータを検知するために、段間音声センサを利用することができる。さらに、やはり多段圧縮機16内の故障を示す光学パラメータを検知するために、段間光学センサを使用することもできる。さらに、多段圧縮機16内の故障を示すどのようなタイプの段間センサ(例えば、振動センサ、流速センサ等)を使用することもできる。 FIG. 6 is an exemplary embodiment of a method 74 for identifying failures in the multi-stage compressor 16 using the interstage pressure increase ratio. In step 76, one or more interstage parameters can be detected between the stages of the multistage compressor 16. As described above, the detected interstage parameter can be any suitable parameter for identifying a fault in the multistage compressor 16. For example, in some embodiments, the detected interstage parameter can be an interstage pressure, or more specifically, an interstage pressure increase detected by an interstage pressure sensor. In other embodiments, the detected interstage parameter can be an interstage temperature, or more specifically, an interstage temperature increase detected by an interstage temperature sensor. Furthermore, other types of interstage sensors can be used. For example, an interstage audio sensor can be used to detect an audio parameter indicating a failure in the multistage compressor 16. Further, an interstage optical sensor can also be used to detect optical parameters that are also indicative of a failure within the multistage compressor 16. In addition, any type of interstage sensor (eg, vibration sensor, flow rate sensor, etc.) that indicates a failure in the multistage compressor 16 can be used.
段階78では、検知された段間パラメータに少なくとも部分的に基づいて、多段圧縮機16の故障を識別することができる。識別される故障は、多段圧縮機16内のいくつかの異なるタイプの問題を含むことができる。例えば、故障は、多段圧縮機16内の部品の1つの実際の故障(例えば、破損又は他の物理的及び/又は構造的故障)を含むことができる。しかし、故障は、他のタイプの損傷(例えば、ブレードの不均衡及び浸食、間隙の変化による許容できない摩擦等)を含むこともできる。上述したように、故障の識別は、(例えば、予測モデルによって生成された)予測値、過去の値(例えば、同じ多段圧縮機16又は別の同程度の多段圧縮機16の以前の運転データ)又はそれらの組合せに対する、検知された段間パラメータの比較を含むことができる。 In step 78, a failure of the multi-stage compressor 16 may be identified based at least in part on the detected interstage parameter. The identified faults can include several different types of problems within the multistage compressor 16. For example, the failure can include one actual failure (eg, breakage or other physical and / or structural failure) of a component within the multi-stage compressor 16. However, faults can also include other types of damage (eg, blade imbalance and erosion, unacceptable friction due to gap changes, etc.). As described above, fault identification is based on predicted values (eg, generated by a predictive model), past values (eg, previous operational data of the same multi-stage compressor 16 or another comparable multi-stage compressor 16). Or a comparison of detected interstage parameters to a combination thereof.
段階80では、故障が識別されると、故障を示す警告を適宜出力することができる。例えば、警告は、音声警告(例えば、ビープ音)、振動、光(例えば、発光ダイオードから)、表示メッセージ(例えば、表示スクリーンに)、電子メールメッセージ、テキストメッセージ等を含むことができる。さらに、段階82では、故障が識別されると、多段圧縮機16の運転パラメータを故障に応答して適宜調整することができる。ある状況では、多段圧縮機16の運転パラメータの調節を、故障に応答して自動的に実行することができる。しかし、他の状況では、多段圧縮機16の運転パラメータの調節を、多段圧縮機16のオペレータが手動で実行することができる。 In step 80, if a failure is identified, a warning indicating the failure can be output as appropriate. For example, the alert can include an audio alert (eg, a beep), vibration, light (eg, from a light emitting diode), a display message (eg, on a display screen), an email message, a text message, and the like. Further, in step 82, if a failure is identified, the operating parameters of the multi-stage compressor 16 can be adjusted accordingly in response to the failure. In certain situations, adjustment of the operating parameters of the multi-stage compressor 16 can be performed automatically in response to a failure. However, in other situations, adjustment of the operating parameters of the multistage compressor 16 can be performed manually by the operator of the multistage compressor 16.
多段圧縮機16の運転パラメータの調節は、最小限の調整(例えば、多段圧縮機16の運転速度又は負荷を低減する)から、より大きな調整(例えば、多段圧縮機16を停止する)まで、様々とすることもできる。実行される調整の量は、例えば、段間パラメータの予測値からの逸脱の程度によることができる。例えば、検知された段間パラメータの予測値からの逸脱が、第1の低閾値より高く第2の高閾値より低い場合、多段圧縮機16の運転速度又は負荷を低減することができる。しかし、検知された段間パラメータの予測値からの逸脱が、第1の低閾値及び第2の高閾値の両方より高い場合、多段圧縮機16を完全に停止することができる。 The adjustment of the operating parameters of the multistage compressor 16 varies from a minimum adjustment (eg, reducing the operating speed or load of the multistage compressor 16) to a larger adjustment (eg, shutting down the multistage compressor 16). It can also be. The amount of adjustment performed can depend, for example, on the degree of deviation from the predicted value of the interstage parameter. For example, when the detected deviation from the predicted value of the interstage parameter is higher than the first low threshold and lower than the second high threshold, the operating speed or load of the multistage compressor 16 can be reduced. However, if the detected deviation from the predicted value of the interstage parameter is higher than both the first low threshold and the second high threshold, the multistage compressor 16 can be completely stopped.
さらに、ある実施形態では、故障の識別と警告の出力又は多段圧縮機16の運転パラメータの調整との間に、時間遅延を設けることができる。例えば、ある実施形態では、故障を識別した検知された段間パラメータの逸脱が単に統計上の異常ではないことを確認するために、5、10、15又は20分の時間遅延を使用することができる。他の実施形態では、時間遅延を使用しないこともできる。時間遅延を使用しないことは、実質的にリアルタイムで適切な応答を可能にするために有利である。時間遅延に加えて、ある実施形態では、多段圧縮機16の運転パラメータを調整する前に複数の警告を出力することができる。複数の警告を出力することによって、多段圧縮機16の運転パラメータを自動又は手動で調整する前に、さらなる分析を実行することができる。 Further, in certain embodiments, a time delay may be provided between fault identification and warning output or adjustment of operating parameters of the multi-stage compressor 16. For example, in one embodiment, a time delay of 5, 10, 15 or 20 minutes may be used to confirm that the detected interstage parameter deviation that identified the failure is not simply a statistical anomaly. it can. In other embodiments, no time delay may be used. Not using a time delay is advantageous to allow a proper response in substantially real time. In addition to the time delay, in some embodiments, multiple warnings can be output before adjusting the operating parameters of the multi-stage compressor 16. By outputting multiple warnings, further analysis can be performed before the operating parameters of the multi-stage compressor 16 are adjusted automatically or manually.
開示された実施形態の技術的効果は、多段圧縮機16の段の間で検知された段間パラメータから判断することができる、圧力増加比率を使用して、多段圧縮機16内の故障を識別するためのシステム及び方法を提供することを含む。ある実施形態では、検知された段間パラメータに少なくとも部分的に基づいて多段圧縮機16内の故障を識別するため、故障を示す警告を出力するため、及び故障に応答して多段圧縮機16の運転パラメータを調整するために、図6に示された方法74を、検知された段間パラメータを取得する(例えば、受信する)ように構成された制御装置14によって実行することができる。制御装置14は、ある実施形態では、検知された段間パラメータに少なくとも部分的に基づいて多段圧縮機16内の故障を識別するため、故障を示す警告を出力するため、及び故障に応答して多段圧縮機16の運転パラメータを調整するために、検知された段間パラメータを取得する(例えば、受信する)ように特に構成された物理的計算デバイスとすることができる。より詳細には、制御装置14は、検知された段間パラメータを受信するため、警告を出力するため、及び多段圧縮機16の運転パラメータを調整するように信号を送信するための、入力/出力(I/O)デバイスを含むことができる。さらに、制御装置14は、記憶デバイス及び検知された段間パラメータに少なくとも部分的に基づいて故障を識別するための符号化された命令を含む機械読取可能な媒体を含むことができる。例えば、命令は、検知された段間パラメータを、予測値、過去の値又はそれらの組合せと比較するために、機械読取可能な符号を含むことができる。したがって、制御装置14は、過去の値を記録するための記録媒体等を含むこともできる。 The technical effect of the disclosed embodiments is to identify faults in the multistage compressor 16 using the pressure increase ratio, which can be determined from the interstage parameters detected between the stages of the multistage compressor 16. Providing a system and method for doing so. In some embodiments, to identify a failure in the multi-stage compressor 16 based at least in part on the sensed interstage parameter, to output a warning indicating the failure, and in response to the failure, the multi-stage compressor 16 To adjust the operating parameters, the method 74 shown in FIG. 6 can be performed by the controller 14 that is configured to obtain (eg, receive) the detected interstage parameters. The controller 14, in one embodiment, identifies a failure in the multi-stage compressor 16 based at least in part on the sensed interstage parameter, outputs a warning indicating the failure, and in response to the failure. In order to adjust the operating parameters of the multistage compressor 16, it may be a physical computing device that is specifically configured to obtain (eg, receive) the sensed interstage parameters. More particularly, the controller 14 is an input / output for receiving sensed interstage parameters, for outputting warnings, and for transmitting signals to adjust the operating parameters of the multistage compressor 16. (I / O) devices may be included. In addition, the controller 14 can include a machine readable medium that includes encoded instructions for identifying a failure based at least in part on the storage device and the sensed interstage parameter. For example, the instructions can include a machine readable code to compare the sensed interstage parameter with a predicted value, a past value, or a combination thereof. Therefore, the control device 14 can also include a recording medium for recording past values.
本明細書で開示された実施形態は、多段圧縮機16の個々の段の器具、及び問題の発生時又はその付近で、多段圧縮機16が過度に損傷する前に制御装置14が警告を発行し、及び/又は多段圧縮機16の運転パラメータを調整することができるように、多段圧縮機16の異常行動を検出するための関連する制御方法を提供する。開示された実施形態は、多段圧縮機16の段が損傷を受けると段の性能が低下するという事実を利用している。性能の低下は、損傷した段から他の損傷していない段への圧縮率の変化として現れることができる。多段圧縮機16内の圧力分布においてこの変化を検出することができる。故障検出のための圧力増加比率を使用することによって、より改善された多段圧縮機16の劣化の評価をすることができ、それにより、多段圧縮機16への望まない損傷に関連するコスト及びダウンタイムが低減される。本明細書で開示されたシステム及び方法は、新しいガスタービンエンジン12に適用することができ、又は既存のガスタービンエンジン12の器具及び制御システムの強化として改良可能とすることができる。 The embodiments disclosed herein allow the individual stage appliances of the multistage compressor 16 and the controller 14 to issue warnings at or near the occurrence of problems before the multistage compressor 16 is excessively damaged. And / or an associated control method for detecting abnormal behavior of the multi-stage compressor 16 so that the operating parameters of the multi-stage compressor 16 can be adjusted. The disclosed embodiments take advantage of the fact that the performance of a stage degrades if the stage of the multistage compressor 16 is damaged. The performance degradation can manifest as a change in compressibility from a damaged stage to another undamaged stage. This change can be detected in the pressure distribution in the multistage compressor 16. By using the pressure increase ratio for fault detection, a more improved assessment of the degradation of the multistage compressor 16 can be made, thereby reducing the costs and costs associated with unwanted damage to the multistage compressor 16. Time is reduced. The systems and methods disclosed herein can be applied to new gas turbine engines 12 or can be improved as enhancements to existing gas turbine engine 12 instruments and control systems.
本明細書は、ベストモードを含めて、本発明を開示するために、並びにまた、当業者が、任意のデバイス又はシステムを作成及び使用し、任意の組み込まれた方法を実行することを含めて、本発明を実施できるようにするために、例を使用している。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到する他の例を含むことができる。そのような他の例は、特許請求の範囲に記載された文字通りの同じ構成要素を有する場合、又は特許請求の範囲に記載された文字通りの要素とごくわずかに異なる均等な構成要素を含む場合、本発明の範囲内であるものとする。 This specification is intended to disclose the present invention, including the best mode, and also to enable any person skilled in the art to make and use any device or system and to perform any incorporated methods. An example is used to enable the present invention to be implemented. The patentable scope of the invention is defined by the claims, and may include other examples that occur to those skilled in the art. Such other examples have the same literal components recited in the claims, or include equivalent components that are only slightly different from the literal elements recited in the claims, It is intended to be within the scope of the present invention.
Claims (10)
少なくとも部分的に検知された段間パラメータに基づいて回転機械(16、20)の故障を識別するように構成された制御装置(14)と
を備えるシステム。 An interstage sensor (66) configured to sense parameters at interstage positions (46,54) between a plurality of stages of the rotor blades (38,40) of the rotating machine (16,20);
And a controller (14) configured to identify a failure of the rotating machine (16, 20) based at least in part on the sensed interstage parameter.
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